麦饭石中矿物元素溶出过程的微结构模型

麦饭石中矿物元素溶出过程的微结构模型

mainphone是中国传统的矿物中药。它的外观与大麦米上的制备过程非常相似。它是一种对生物没有伤害、具有一定生物活性的矿产资源保护药石。它可以溶解10多种有益的常量元素和微量元素，具有良好的溶解、吸附、药物保健、生物活性等功能。目前,麦饭石的应用主要是将麦饭石直接以颗粒的形式放入水中或其它溶液中浸泡,获得有益的浸出液再加以利用,主要领域有医学、农牧、食品及化工环保。国内外对麦饭石的研究主要集中在麦饭石的溶出元素量分析和初级应用研究上,从微结构上分析麦饭石的溶出机理尚未见有报道。本文对浙江四明山麦饭石矿物颗粒大小及溶出条件对矿物元素溶出的影响进行了分析,结合岩石特征和组成,尝试提出了麦饭石中矿物元素溶出的微结构模型,探讨了麦饭石矿物元素的溶出机制。1次去离子清液液的制备试验所用麦饭石来自浙江四明山,破碎筛分成不同粒级备用。通过检测溶出液的矿化度和微量元素Sr含量来分析麦饭石中矿物元素的溶出能力。试验时,溶出介质为二次去离子水,固液比为1∶5,煮沸后,在指定温度下浸泡一定时间,取溶出液表层清液100mL;经一定时间静置后,按照国家标准《饮用天然矿泉水中矿化度的测定方法》GB8538.8-87测定矿化度,依照JY/T015-1996标准,采用美国热电公司IRISIntrepidIIXSP型全谱等离子体发射光谱仪分析Sr含量,采用D/max-RAX射线衍射仪和Philips公司的xl40e型扫描电镜分别分析麦饭石的矿物组成及表面显微结构。2结果分析2.1麦炭石颗粒尺寸对矿物元素溶出的影响不同粒度和溶出条件下麦饭石溶出液的矿化度(MC,MineraliazationConcentration)和Sr含量如图1~4所示。随麦饭石颗粒变小,溶出液的矿化度呈指数形式增加,说明颗粒尺寸直接影响矿物元素的溶出。随着麦饭石溶出次数的增加,矿化度明显降低,这说明麦饭石的使用次数是有限的。随溶出温度的增加,矿化度和Sr含量增加,且增幅较大;在温度为100℃时,矿化度和Sr含量都明显较高,而且随时间的增加矿化度和Sr含量迅速增加,说明温度是矿物元素溶出的重要条件。随溶出时间的不断增加,矿化度和Sr含量增加变慢。2.2麦检测出微量元素的成分及结构根据XRD分析(图5),本次试验的麦饭石主要由石英和钙钠长石组成,含少量黑云母和磁铁矿等。由于微量元素多赋存于长石中,长石组成及结构决定了麦饭石中微量元素的含量及其溶出能力。从麦饭石表面的SEM(图6)看出:溶出前,麦饭石表面由风化颗粒、微孔状基质组成;溶出后,麦饭石表面呈多孔状、层状结构。风化颗粒主要由石英和粘土化的长石斑晶组成。3影响矿物元素溶出的因素麦饭石颗粒浸入水中后,颗粒排开周围的水分子并占据一定的几何空间,水在颗粒表面形成界面水膜,水分子通过渗入界面水膜进入矿物内部与矿物的化合物发生水合作用,晶格离子通过水合作用溶解、迁移、扩散,通过界面水膜溶出进入水中,矿物表面性质变化等。麦饭石中元素在水中溶出的微结构模型(图7)可表示为:(1)麦饭石颗粒周围水分子受颗粒表面作用,结构发生变化,形成界面水膜。水膜结构与矿物极性有关。麦饭石是半风化产物,结构较疏松,为水、二氧化碳和氧的渗入并发生各种反应提供有利条件,从而使矿物中的微量元素成为可解析元素,麦饭石也成为极性矿物。(2)在表面力和毛细管力的作用下,水分子通过界面水膜进入孔道和颗粒内部。通常麦饭石由于岩石风化后分布有很多孔道,孔道是水渗入和矿物元素溶出的主要通道,孔道的大小及分布与风化溶蚀的程度有关,呈封闭或贯通状。(3)水与矿物发生水合作用:矿物中离子进入水中,该过程与矿物中离子的电荷数、半径、晶格结合能及溶出介质等有关。(4)离子迁移,扩散通过界面水膜层进入水中,矿物元素被不断溶出。离子迁移和扩散速度与浓度差有关,在浓度差条件下,含高浓度离子必然向不含离子或低浓度的水中迁移。从以上模型可以看出,影响矿物元素溶出的因素很多:首先是麦饭石的矿物组成和结构、晶格能及离子水化能、水中溶解度等,如长石类矿物的比例,麦饭石的结构,孔道大小及分布,晶格能大小、离子电荷数及半径等都是矿物元素能否溶出的基本条件;其次是麦饭石的粒度,粒度越小,比表面积增大,与水的接触面积就越大,获得的补偿能越高,水合作用越明显,矿物元素溶出量就越多;其三,溶出条件(温度、时间等)的影响,温度与矿物-水的水合作用有关,直接影响矿物的溶解度及元素的溶出,时间与矿物元素溶出量是正相关关系,离子的迁移速度与浓度差有关,当浓度差减小时,时间对溶出量的影响较小;另外还有其它因素,如麦饭石用量、溶出介质的种类及酸碱度、搅拌等都对矿物元素的溶出量有一定的影响。采用矿物元素溶出的微结构模型可以很好解释上述溶出试验结果。颗粒尺寸减小,颗粒比表面积增大,孔道的长度大为缩短,一些封闭的孔道被打开,并产生微孔道,这将增加与水接触的表面积,增强水合作用,矿物元素迁移路径和所用时间大为缩短,从而使矿物元素的溶出量明显增加。这也是为何溶出液的矿化度随颗粒尺寸降低而呈指数形式增加。温度增加,矿物溶解过程的自由能负值增大,矿物的溶度积增大,并提高传质扩散速度,提高矿物元素的溶解速度,促进矿物元素的溶出;当温度升高至水的沸点时,沸腾的水浴还有搅拌作用,大大改善水合作用及矿物元素的迁移扩散条件,大大提高矿物元素的溶出,所以温度增加,矿化度增加,温度为100℃时矿化度很高。在该微结构模型中,水合作用后,离子的浓度差影响离子迁移速度,随着溶出时间的增加,颗粒内外的离子浓度差降低,离子迁移速度降低,所以随着时间增加,矿化度的增长幅度较小。在矿物元素溶出过程中,首先是孔道中、颗粒表面的元素溶出,然后是颗粒内部的元素的溶出,随溶出次数的增加,孔道和颗粒表面的矿物溶解基本完成,水分子进入颗粒内部以及颗粒内部矿物元素溶出的路径增大,从而降低矿物元素的溶出量,所以随溶出次数的增加,溶出液的矿化度明显降低。4麦检测石中元素溶出的微结构模型(1)麦饭石颗粒变小,溶出液的矿化度呈指数形式增加;溶出次数增加,矿化度明显降低;随温度和时间的增加,矿化度和Sr含量增加,只是随时间不断增加矿化度和Sr含量的增幅变慢。麦饭石的矿物组成和结构有利于矿物元素的溶出。(2)麦饭石中元素溶出的微结构模型可表示为麦饭石浸入水中→界面水膜层形成